Avdelningen för Cellens Fysik har laboratorier på bland annat Alba Nova Universitetscentrum vid KTH, där utförs forskning på immunförsvaret med NK-celler och T-celler i fokus. Humanceller är heterogena vilket innebär att samma typ av cell kan reagera olika på samma stimuli och exempelvis vara mer eller mindre rörlig. Genom att isolera celler och utföra så kallade singel-cellstudier kan beteende och rörelsemönster kartläggas. Avdelningen för Cellens Fysik, KTH, har utvecklat en mikrotitrerplatta där individuella celler samt cell-cell interaktioner kan studeras. Plattan är i storleksordningen 2×2 cm och innehåller 32 400 mikrobrunnar med måtten 50 µm × 50 µm × 300 µm och är tillverkad i kisel och glas. Teorin är att isolera celler i brunnarna och studera beteendet hos den enskilda cellen för att hitta bäst lämpade cell för uppodling/ klonal expansion inför exempelvis transplantation eller cellterapi. För att plocka upp cellen av intresse från brunnen ska en så kallad Cell-picker användas. Denna består av en datorstyrd sprutpump, med en 100µl spruta som ger ett volymsflöde på 3,75 µl/min, kopplat till ett slangsystem och ett munstycke. Syftet med detta examensarbete var bland annat att kartlägga andra metoder inom området för singel-cell analys/ mikromanipulation och utvärdera om någon av dessa liknade Cell-pickern. Det finns idag tre liknande automatiserade system; AVISO CellCelektor, Cellporter och QPix 400 Microbial Colony Pickers. Dessa system används framförallt för andra typer av analyser och används generellt i grundare brunnar än vad Cell-pickern skulle göra. Beräkningar av hastigheter i mikrofluidiksystemet gjordes för en ny konstruktion av brunn, så kallad U-brunn, där två brunnar är sammankopplade i botten med en genomströmningssektion. För jämförelser av strömning i den idag befintliga enkla brunnen jämfört med de parkopplade brunnarna användes simuleringsverktyget COMSOL Multiphysics 4.2. Jämförelser mellan hastigheter för olika höjd på genomströmningssektionen simuleras för höjderna 0,5, 1,0, 1,5 samt 2,0 µm. Genom simuleringarna kunde flödet i U-brunnen visualiseras för dessa olika tvärsnitt. Detta visade att hastigheter i genomströmningssektionen översteg blodflödets hastighet för höjderna 1,0 µm och 0,5 µm. Jämförelsen med blodflödet gjordes för att utvärdera om hastigheterna i systemet överstiger naturliga hastigheter som celler utsätts för vilket eventuellt skulle kunna skada cellerna. Simuleringarna för U-brunnen visar att det blir ett flöde genom konstruktionen men detta behöver verifieras experimentellt för att visa huruvida detta flöde räcker för att suga upp celler från botten av brunnen. Simuleringarna för den enskilda brunnskonstruktionen påvisade inget flöde vid botten av brunnen vilket antyder att denna konstruktion inte skulle vara lämplig tillsammans med Cell-pickern. Utvärdering av Cell-pickern funktion gjordes genom att hämta vätskeprov ur en mikrotitrerplatta med goda resultat. Senare kunde beads och därefter humana celler flyttas ur brunnarna med Cell-pickern. Då lyckad precisionsanalys gjorts kunde experiment med förflyttning av beads från mikrobrunnar utföras. Även försök med förflyttning av humana celler utfördes med Cell-pickern, detta dock ur större brunnar än 50 µm × 50 µm då Cell-pickerns slangar och munstycke ännu inte är anpassat för den storleken på brunn. Efter utvärdering och modifiering av Cell-pickern är den lättare att manövrera och mer anpassningsbar för olika typer av mikroskop. / The department of Cell Physics has laboratories in Alba Nova University Center at Royal Institute of Technology, which perform research on the immune system focusing on NK cells and T cells. Human cells are heterogeneous, which means that the same type of cell can react differently to stimuli such as being more or less flexible for example. By isolating the cells and perform so-called single cell studies, behavior and movement patterns can be identified. The department of Cell Physics, KTH, has developed a micro titer chip where individual cells and cell-cell interactions can be studied. The chip is made of silicon and glass with the dimensions 2 × 2 cm that contains 32 400 micro wells with dimensions of 50 microns × 50 microns × 300 microns. By isolating the cells in the wells it is possible to study the behavior of the individual cell and to find the most suitable cell for cultivation or clonal expansion used in transplantation or cell therapy. The Cell-picker is supposed to pick up the cell of interest from the well. This cell picker system consists of a syringe pump at a volumetric flow rate of 3.75 μl / min, attached to a tube system and a nozzle. The purpose of this bachelor’s thesis was to briefly summarize other methods in the field of micro manipulation and evaluate if any of these resembled with the cell picker system. There are three similar automated systems available; AVISO CellCelektor, Cell Porter and QPix 400 Microbial Colony Pickers. These systems are mostly used for other types of studies and will generally be used in shallower wells than the Cell-picker would. This thesis also included the calculations of the velocities in the micro fluidic systems of a novel design of wells, so-called U-wells, in which two wells are interconnected at the bottom with a flow section. For comparison of the simulated flow in the existing single well compared to the U-well the simulation software COMSOL Multiphysics 4.2 was used. Four different elevations of the cross section of the U-well were compared. The simulations visualized the flow in the cross section for the elevations 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 microns. This showed that the velocities in the flow section exceeded the rate of blood flow for the elevations 1.0 microns and 0.5 microns. The comparison with blood flow was done to evaluate if the velocities in the system exceeds natural rates cells are exposed to which could potentially damage the cells. The simulations of the U-well structure shows that there is a flow through the system but it has to be evaluated experimentally to see whether that flow is sufficient to pick up the cell on the bottom of the well. The simulations of the simple well structure showed no flow rate at the bottom of the well, suggesting that this design would not be suitable for the Cell-picker. The experimental work contained an evaluation of the Cell-pickers capability to move a fluid sample from a well on a micro titer chip. That was done successfully and the system was able to move beads and human cells from the wells. The Cell-picker was used in larger wells than 50 microns × 50 microns because the Cell-picker tubes and the nozzle are not yet adapted to this size. After evaluation, and modification of the Cell-picker it is now easier to handle and are more adaptable to different types of microscopes.

Cell differentiation is the process of a cell developing from one cell type to another. It is of interest to analyse the differentiation from stem cells to different types of mature cells, and discover what genes are involved in regulating the differentiation to specific cells, for instance to get insights to what is causing certain diseases and find potential treatments.  In this project, two mathematical models are developed for analysing blood cell differentiation (haematopoiesis) with methods based on optimal transportation. Optimal transportation is about moving one mass distribution to another at minimal cost. Modelling a sample of cells as point masses placed in a space based on the cells' gene expressions, accessed by single-cell RNA sequencing, optimal transportation is used to find transitions between cells that costs the least in terms of changes in gene expression. With this, cell-to-cell trajectories, from haematopoietic stem cells to mature blood cells, are obtained. With the first model, cells are divided into groups based on their maturity, which is determined by using diffusion pseudotime, and optimal transportation is preformed between groups. The resulting trajectories suggest that haematopoietic stem cells possibly can develop into the same mature cell type in different ways, and that the cell fate for some cell types is decided late on in development. In future work, the gene regulation along the obtained trajectories can be analysed. The second model is developed to be more general than the first, and not be dependent on a group division before preforming optimal transportation. / Celldifferentiering är processen då en cell utvecklas från en celltyp till en annan. Det är av intresse att analysera differentieringen från stamcell till olika typer av mogna celler, och undersöka vilka gener som har betydelse i regleringen av differentieringen till specifika celler, bland annat för att få en inblick i vad som orsakar vissa sjukdomar och hitta potentiella botemedel. I detta projekt utvecklas två matematiska modeller för att analysera blodcellsutveckling (hematopoes) med metoder som är baserade på optimal transport. Optimal transport handlar om att förflytta en massfördelning till en annan till lägst kostnad. Genom att modellera celler som punktmassor, placerade i ett rum baserat på cellernas genuttryck som fås genom singel-cell RNA-sekvensering, används optimal transport för att hitta förflyttningar mellan celler som kostar minst i termer av förändringar i genuttryck. Från detta skapas vägar mellan celler, från hematopoetiska stamceller till mogna celler. I den första modellen delas cellerna upp i grupper baserat på deras mognadsgrad, som bestäms genom att använda pseudotid baserad på en diffusionsavbildning, och optimal transport används sedan mellan grupperna. De resulterande vägarna visar på att hematopoetiska stamceller möjligen kan utvecklas till samma typ av mogen cell på olika sätt, och att cellödet för vissa typer av celler bestäms sent i utvecklingen. I framtida arbete kan genregleringen längs de funna vägarna analyseras. Den andra modellen utvecklas för att vara mer generell än den första, och inte bero på en gruppuppdelning innan optimal transport används.